音频分析仪之（总谐波失真）

羊二羊 · 发表于 2009-5-11 22:14:57

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导读|谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。

术语解释
   总谐波失真表明功放工作时，由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次，三次谐波与实际输入信号叠加，在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分，而是包括了谐波成分的信号，这些多余出来的谐波成分与实际输入信号的对比，用百分比来表示就称为总谐波失真。一般来说，总谐波失真在1000赫兹附近最小，所以大部分功放表明总谐波失真是用1000赫兹信号做测试，但有些更严格的厂家也提供20－20000赫兹范围内的总谐波失真数据。总谐波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出来，超过10%就可以明显听出失真的成分。这个总谐波失真的数值越小，音色就更加纯净。一般产品的总谐波失真都小于1%@1kHz，但这个数值越小，表明产品的品质越高。

   计算公式
      关于THD的计算公式，不同标准的定义略有不同。

   公式一
   《GBT--17626.7-2008电磁兼容试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》中，对THD的定义如下：

   符号G表示谐波分量的有效值，它将按要求在表示电流时被I代替，在表示电压时被U代替，H的值在与限制有关的每一个标准中给出。按照上述定义，THD不包含间谐波，并且，有一固定的谐波上限。[1]

      公式二
   《GB/T12668.2-2002调速电气传动系统一般要求低压交流变频电气传动系统额定值的规定》对THD定义如下：

   上式中，Q为总有效值，Q1为基波有效值，可代表电压或电流，按照上述定义，THD包含间谐波和直流分量。

   解析
   原因
   在解释总谐波失真之前，我们先来了解一下何为谐波失真。
   谐波失真是指音箱在工作过程中，由于会产生谐振现象而导致音箱重放声音时出现失真。尽管音箱中只有基频信号才是声音的原始信号，但由于不可避免地会出现谐振现象（在原始声波的基础上生成二次、三次甚至多次谐波），这样在声音信号中不再只有基频信号，而是还包括由谐波及其倍频成分，这些倍频信号将导致音箱放音时产生失真。对于普通音箱允许一定谐波信号成分存在，但必须是以对声音基频信号输出不产生大的影响为前提条件。
   而总谐波失真是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时，是发出1000Hz的声音来检测，这一个值越小越好。
   一些产品说明书的总谐波失真表示为THD<0.5%，1W，这样看来总谐波失真较小，但只是在输出功率为1W的总谐波失真，这与标准要求的测量条件下得到的总谐波失真是不同的。因此，评价MP3的总谐波失真指标时应注明是在什么条件下测得的。
   THD(total harmonic distortion，总谐波失真)：是声音设备产生的(通常是不受欢迎的)谐波的水平。一般来说，高质量设备的THD值很低(低于0.002%)，但也有例外。很多电子管设备的THD非常高，但晶体管设备必须具有较低的THD，因为它们多余的谐波会使声音听起来很不舒服。

羊二羊 · 发表于 2009-5-11 22:33:14

   分类
   谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上1v的2000Hz，这时就有10%的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1%条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但实际上都可做到0.1%以下：FM立体声调谐器小于等于1.5%，实际上可做到0.5%以下；激光唱机更可做到0.01%以下。
   由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。
   (l) 互调失真(IMD)：将互调失真仪输出的125Hz与lkHz的简谐信号合成波，按4：1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。
   (2) 瞬态失真(TIM)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。
   (3) 瞬态互调失真：将3.15kHz的方波信号与15kHz的正弦波信号按峰值振幅比4：1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。

   失真分为两类：
   1.线性失真
   2.非线性失真。

   线性失真
   先讨论线性失真：从信号与系统的角度来考虑，所谓无失真传输，通过数学推导（有兴趣可以参考〈信号与系统〉教材）可以得到两个条件：
   1，系统对幅度谱的作用仅为加权作用。
   2，系统对相位谱的延迟与频率成正比，既满足常数群时延特性。
   这两个结论是基于傅立叶分析的基本理论而得到的。如果它晦涩难懂，那么说简单一点，大家看到的波特图（波特图包括幅度谱和相位谱两部分），如果在其通频带范围内，幅度谱和相位谱都是一直线，那这个系统（放大器就是一个电系统）就满足无失真传输。
   现实中，无失真传输仅仅限于两类系统，
   1.电阻网络。
   2.匹配的高频传输线。
   而所有的放大器，在理论上都不可能成为无失真传输系统。放大器，如果忽略低频截止频率的影响（因为高频截止频率往往远远高于低频截止频率）为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响（因为低频对音频来说很重要），则为一带通滤波器。由于晶体管为一电阻电容的混合参数所构成的器件（如各种形式参数模型所反应），由于电容的容抗中含有频率参数，不同的频率对应于不同的容抗，所以放大器不可能做到对其通频带内的所有信号放大倍数为常数。
   这样，也就不满足本段开始所述的条件
   1.而且电容的电压和电流并非同相位，所以不同的频率就对应着不同的相移，就不能满足条件
   2.不满足条件1的失真，我们称做幅度失真（幅频失真），不满足条件2的失真，我们称为相位失真（相频失真）。
   根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，就是频率为基波整数倍的余弦信号。若为基波的N倍，即称为N次谐波。可见，如果一个系统对不同频率分量的放大倍数不同，那么对不同的谐波分量将有不同的放大倍数。当一个信号通过系统之后，各谐波分量的幅度发生了改变，加权后将不能真实反应原信号。这样产生的失真，既为幅度失真。再者，从相位的角度来考虑，如果原信号的各次谐波通过这个系统，产生了不同的相移（表现在时域既为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号，这样产生的失真，既为相位失真。这两种失真，仅仅是各次谐波的幅度、相位产生了变化，但系统并没有产生新的谐波频率，所以称为线性失真。降低线性失真的方法，可以展宽放大器的通频带，使其在工作频率内（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。但是，受晶体管特性影响（如截止频率Ft）无限制展宽通频带是不可能的，而且在展宽通频带的同时，会带来其它弊端，尤其是会引入噪声。如热噪等，其都和频带宽度相关。前人实验表明，人耳对相频失真表现得不敏感，但人眼对相频特性极其敏感，所以不同的放大器，频带宽度视要求而定。

羊二羊 · 发表于 2009-5-12 21:28:33

非线性失真
   我们所常使用的各类晶体管等效模型，称为小信号模型。因为当信号幅度非常小的时候，忽略了非线性因素的影响，将其进行线性等效。以上所讨论的线性失真，皆为在这种等效前提下的讨论。但事实上，无论的PN结（BJT晶体管）的E指数特性，还是场效应管（FET）的平方率特性，都是非线性的。如果考虑这种非线性对放大器的影响，则就有了非线性失真这个概念。非线性失真的种类繁多，但其本质都是由器件非线性影响所至。一般常有的度量标准，有总谐波失真，交叉调制失真，互相调制失真，瞬态互调失真等等。非线性失真的本质，就是产生的新的频率分量。
   总谐波失真（THD）：这也是在放大器中提的最多的一种失真。其定义方式为输入单一频率的余弦信号，输出的各次谐波总有效值和基波功率有效值之比的平方根。THD的大小是功率放大器非常重要的指标，所谓高保真功率放大器，谐波失真在一般都在1%以内。一般而言，输出功率越大，THD要做得好就越不容易。所以耳机放大器的谐波失真，看起来都是相当低的，其输出功率小也是一定的原因。降低总谐波失真的方法，一般都是使用负反馈。反馈深度为1+AF，则加入负反馈之后失真就降为开环条件下的1/1+AF。负反馈是降低非线性失真行之有效的方法，也是模拟电子线路的精华之一，但是负反馈也并不是万精油，会带来牺牲系统增益，降低系统稳定性等总总弊端，也会引起其它的非线性失真（例如顺态互调失真就被认为与深度负反馈息息相关）。
   交叉调制失真、互相调制失真：首先，要理解调制这个概念。这个概念来自于高频电子线路（又言射频电路，通信电路）。当需要发射一信号时，由于低频电磁波不利于传输，则要将需要发射的信号（称为调制信号）加载到一高频信号（称为载波信号）上进行发射，这一过程称为调制过程。普通的AM调制（幅度调制）就是用低频信号控制高频信号包络的变化，在信号接收端利用包络检波器或者同步检波器还原原低频信号。AM调制有包括DSB，SSB，VSB等，与此主题无关，不在此详述（有兴趣可参考《高频电子线路》，《非线性电子线路》等相关书籍）。那么，这种调制的概念，和我们的放大器有什么关系呢？在高频中，AM调制的实现，是由器件的非线性特性来实现的，实现了输入信号的相乘，由三角公式取出其和频或者差频。低频电子线路，器件依然存在着非线性特性。如果讲某一静态工作点下的非线性传输特性由泰勒展开进行逼近，则其包含了一次方项，二次方项，以至于无穷的各次方项。次数越高则其值越小，高次方项可以忽略，但低次方项的影响却不能忽略。一个音频信号，由傅立叶分析，可以分解为各次谐波之加权。当这样一个信号加入到一个非线形器件上，由该静态点转移特性曲线的泰勒展开式中大于2次方项就可以得到谐波的和频和差频。这种情况就和高频中的调制的概念相吻合。所以低频放大器中，也存在着调制失真。而交叉调制失真，互相调制失真的概念，要解释清楚需要非常详尽的数学运算，在此不在详述，如果有良好的数学功底和电路功底，可以阅读一下高频电子线路教材。无论如何，我们知道了互调失真和交调失真都是由放大器的非线性产生，而且产生这种失真的条件是有至少两个频率分量加载到了输入端。所以，总谐波失真的测试方法，无法得到放大器的交调失真和互调失真。我们知道，一般运放开环增益非常大，当加入负反馈之后，由于反馈深度1+AF非常大，所以THD就非常小。但现实的音乐信号，不是这样单频率信号，而是由各种频率叠加的信号。运放本身的线性特性并不非常良好，所以加入音乐信号后，容易产生交调失真现象。在使用运放设计放大器的时候，就需要扬长避短。但由于IC的先天优势，在指标上，分立元件还是很难和它想媲美的，光管子的配对问题就是首要难的问题了。要减少交调失真，就必须从放大器本身的线性特性入手，例如选取合理的静态工作点等。一个放大器本身的线性好了，就不存在这些问题了（这句话是我当初和我的班主任（一位资深工程师）讨论放大器交调失真时他告诉我的）。
   瞬态互调失真：我看到过对这种失真的解释，一般如下。当放大器本身存在积分效应，输出延迟于输入，那么大环负反馈信号到达输入端时，并不能于输入信号完全同步。在大动态的情况下输入端晶体管就出现瞬间的过载，差分对进入非线形区域，输出不能反应输入变化。从而形成了削波失真。众所周知，不加局部负反馈的差分对其线性区域只有52MV的差模输入范围。当大动态信号来临时，由于放大器回路的延迟，反馈信号不能即使到达输入端，这时差分对就产生瞬时过载，这种失真会影响音质。运放的输入端一般都是动态差模输入范围很小的差分对，如果运放的转换速率不够高，则容易出现瞬态互调失真。同时，瞬态互调失真不单出现在输入级，不单存在于差分对管中，只是差分输入对是产生这种失真的典型。我一直在想它为什么要取名叫瞬态互调失真，瞬态很容易解释，但互调是指什么，这种失真和互相调制之间有什么关系。目前我的理解，根据模拟乘法器电路的特性，当其一输入信号动态范围非常大时，这种线形时变状态可以实现信号调制。那么差分对和它也有一定相似之处，是否意指某一个大信号控制着输入端差分对进入或退出非线形区域，这样就是典型的线性时变参量电路，这样就类似与对其它小信号频率分量进行调制。无论互调指的是什么，既然我们知道了这种失真产生的原因，那么避免它发生的方法，可以是扩展每一级的输入动态范围，如在差分对中加入局部负反馈，设计大动态特性线路。也可以避免回路中的积分效应，提高放大器的转换速度。这样都有利于减小顺态互调失真的发生。

赤脚路人 · 发表于 2009-5-14 20:57:44

点赞了，好文章，不错啊，可以收藏学习了啊！~ :victory:

gaoling · 发表于 2009-5-15 19:35:09

好!光荣!:victory:

bookshelf · 发表于 2009-5-20 10:46:45

贺。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

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